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스티로폼과 막대기를 사용한 구조물

▶ 구조물 완성과정- 수행과제를 만족하면서, 가장 튼튼한 구조물을 만들기 위하여 창의적 공학설계 수업시간에서 배운 절차에 따라 구조물을 완성하였다.1. Problem Definition (문제정의)- 첫 번째 회의를 통하여 수행과제의 목표와 제한조건 그리고 주의사항에 대해서 충분히 인지하고, 토론하였다. (수행과제는 page2. 에 명시되어 있음)2. Idea Generation (아이디어 산출)- 두 번째 회의를 통하여 사전에 각자가 조사하고 생각해온 아이디어에 대해 브레인스토밍을 하였다.3. Creative Idea Evaluation (창의적인 아이디어 평가)- 세 번째 회의를 통하여 각각의 아이디어에 대해 분석하고 종합해가면서 현실적으로 가능한 아이디어에 초점을 맞췄다.4. Idea Judgment (아이디어 판단, 선택) - 구조물 선택5. Solution Implementation (수행) - 제작1. 수행과제1) 스티로폼과 막대기를 사용하여 탑을 쌓는다.2) 완성 후 하중(7.5kg, 직경230mm)을 가하기 시작하여 점차 더 큰 하중을 가한다. 그 때, 구조물이 버텨야 한다.3) 평가사항 : 크기, 높이, 무게.4) 제한조건 : 높이 50Cm이상, 크기 무제한, 스티로폼 240개 미만과 막대기 150개 미만 사용, 본드 사용시 강력본드만 사용가능.2. 여러 구조물 아이디어와 그 평가 (브레인스토밍)1) 사각형- 수업시간에 배운 재료역학, 응용역학 등을 적용하여 생각해보았다. 재료에 가해지는 하중을 분산하면서 가장 안전한 구조는 삼각형의 트러스 구조임을 이론적으로 배웠다. 그래서 가장 기본적인 구조인 사각형모형의 트러스 구조를 생각해 냈다.- 평가 : 1차 실험을 해 본 결과 하중은 잘 버티는데 비틀림이 심하게 발생하는 한계가 있다.2) 송전탑- 무거운 전선의 무게를 견디고 있는 구조이기 때문에 송전탑을 생각해 냈다. 또한, 높이도 높게 쌓을 수 있으면서 우리가 원하던 트러스 모형의 대표적인 구조라고 생각했다.- 평가 : 높이를 높게 쌓을 수는 있으나, 하중을 가할 시 쉽게 좌굴이 일어날 가능성이 있다.3) 피라미드- 막대기를 사용하는 골절구조보다는 면적을 이용하여 하중을 버티는 것이 적합하다고 생각하여 피라미드 모형을 생각하게 되었다. 또한, 과학경진대회나 각종 올림피아드 대회의 대표적인 구조물로 쓰이기 때문에 어느 구조물보다 안정적이고, 효율적이라 생각하였다.- 평가 : 피라미드 특성상 대각선으로 나온 지지대로 인해 밑면적이 넓어 큰 하중을 버틸 수 있지만 피라미드 구조로 만들면서 트러스 구조를 안에 넣는 것이 까다롭다고 생각했다.4) 첨성대 구조- 우리나라의 국보로서, 한국 전쟁 등의 오랜 역사를 가지고 있음에도 불구하고 아직도 견고하게 구조물이 보존되어 있어 생각해 냈다. 또한, 인터넷을 통해 정보를 검색해 보니, 국내외 연구진에 의한 연구 결과 구조적으로 안정적인 상태라고 밝히고 있어 첨성대 구조물 형태의 아이디어를 내었다.- 평가 : 원통구조와 곡선라인으로 이루어져 있기 때문에 주어진 준비물로 만들기에는 무척 곤란스럽다고 평가되었다.5) 원뿔모형- 구조물 위에 무거운 추를 올릴 것이기 때문에 균형을 잡기 쉬워야 된다고 생각했고, 이를 만족하기 위해서는 밑면이 최대한 넓으면서 원형모형인 것이 적합하다고 생각했다.- 평가 : 첨성대와 마찬가지로 원통구조와 곡선라인으로 이루어져 있기 때문에 주어진 준비물로 만들기에는 무척 곤란하다는 점이 있다.6) 메추리알 꼬치의 반복 패턴- 어떤 구조물을 만들어도 위에서 하중을 가하면 막대기가 스티로폼을 뚫고 나와 무너질 것이라 가정했다. 그래서 이러한 문제에 초점을 맞춰, 겹겹이 스티로폼을 쌓음으로서 위에서 가해지는 압축력을 효과적으로 견딜 수 있을 것이라고 생각했다.- 평가 : 하중을 받을 시 휨에 약하고 전체적인 구조가 비틀림에 약하다.7) 아치형(에펠탑형태)- 아치형 모형은 무게를 가장 잘 버티는 모형이다. 그래서인지 에펠탑 형태를 보면, 밑에 모양이 아치형 모양인 것을 볼 수 있다. 이것을 벤치마킹하여, 높으면서도 무게를 잘 버틸 수 있는 구조는 에펠탑 형태라고 생각했다.- 평가 : 주어진 재료로 곡선과 라인을 형성하기 어렵다.8) 팔각형 구조물- 무게를 받을 때, 원형모형이 하중을 지지하는데 있어 가장 적합하다고 생각하였기 때문에 그 모양과 비슷한 것을 찾게 되었다. 그래서 4각형 구조물 2개를 포갠 8각형 구조를 생각하게 되었다.- 평가 : 원형모형에 가까워 무게를 가했을 때 구조물이 안정적이고 높이에 있어서도 비교적 자유롭다. 그러나, 1차 실험을 통해 순수 8각형 구조에 하중을 가하면 제작으로 인해 발생한 불평형문제로 비틀림이 발생하는 것을 보았다.9) 보완한 팔각형 구조물- 팔각형 구조물에 장점이 많아 그것을 위주로 생각하면서 단점에 대해 보완할 수 있는 구조물을 생각해 냈다. 1차 실험을 통해, 원형모형이 무게에 안정적임을 확인하였고 팔각형 구조에서 발생하는 불평형문제로 발생하는 비틀림을 분산시키기 위해 중앙지지대를 생각해 내었다. 또한, 피라미드형태와 메추리알 꼬치의 반복패턴의 장점을 활용하여 밑에는 지지대를, 스티로폼이 뚫고 나올 것 같은 부분에는 꼬치형태를 적용하면 어떨지 생각하게 되었다.- 평가 : 각 아이디어에 단점을 보완하고 장점을 적용한 구조물이다.3. 구조물 선정◆ 선정된 구조물- 보완한 팔각형 구조물◆ 선정이유- 브레인스토밍을 통해 아이디어 산출을 함으로서, 여러 모양의 구조물 형태를 생각해 내었고 평가를 통해 각 아이디어에 대해 분석하고 종합해가면서 현실적으로 가능한 아이디어에 초점을 맞춘 결과, 보완한 팔각형 구조물이 적합하다는 결론에 이르렀다.- 보완한 팔각형 구조물 아이디어와 그 평가부분을 보면 알 수 있듯이, 토론결과 선정한 이 구조물은 무게를 안정적으로 지지하는 원형모형과 비슷한 팔각형 구조물로서 내부는 트러스구조로 엮어 더욱 견고하게 하였다. 또한, 불평형문제로 생기는 비틀림에 대한 단점을 보완하기 위해서 중앙지지대를 생각해 낸 아이디어가 선정에 있어 큰 영향을 미쳤다. 게다가 다른 구조물에 대한 장점을 적용시켜 구조물을 하중에 대해, 높이에 대해 더욱 견고하고 안정하게 만들 수 있을 거라 판단하여 채택하였다.

공학/기술| 2010.12.03| 10페이지| 1,500원| 조회(602)

구조물, 트러스, 스티로폼과막대기

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Developement of Drop Tester

Ⅰ. 서론1. 배경 및 목적선진국에서는 수년 전부터 각종 제품에 대한 품질시험(Quality Test)의 일환으로 Drop Test를 거쳐서 제품의 충격성능을 검증하고 있고, 소비자나 소비자 보호단체에서도 강력하게 요구하고 있는 실정이다. 특히 최근에는 각종 전자제품들이 소형화되면서 휴대 가능한 제품들이 시장에 많이 출시되는 관계로 취급상의 부주의로 인한 피해를 최소화하기 위해 제작사들은 충격성능에 각별히 신경을 쓰고 있다. 선진국에서는 각종 자체의 In-House Spec. 또는 Regulation을 제정하여 제품의 기획 단계에서부터 Drop에 의한 피해를 최소화하여 소비자의 요구와 경쟁제품과의 차별성에 적극적으로 부응하고 있는 실정이다.본 졸업작품에서는 “낙하 방식을 이용한 충격시험기 설계기술 개발"을 수행함으로써 주요 구성품인 메인프레임과 Dropper의 동특성 현상을 규명하고 또한 이들로 구성된 충격시험기의 설계기술을 개발하여 향후 효율적이고 신뢰성이 높은 충격시험기의 제작에 대한 국산화 기반을 확보하고자 한다.낙하 방식의 충격시험기는 크게 충격시험기의 전체 골격을 이루는 메인프레임, 충격센서가 장착되어 피충격체에 충격에너지를 가할 수 있는 Dropper, 각종 센서에서의 신호를 수집하여 충격특성을 분석하는 계장화 시스템으로 구성된다. 그러나 각종 센서를 통해 수집되는 신호들은 메인프레임, Dropper, 피충격체 등의 동특성에 따라 민감하게 변하게 되며 경우에 따라서는 정상신호에 왜곡된 잡신호가 부가됨으로써 피충격체의 충격특성을 정량적으로 평가하기 어려운 경우도 발생시킨다. 또한 국내에서 운용되고 있는 대부분의 낙하 방식 충격시험기는 주로 수입에 의존하고 있으며 국내에서 제작/공급된 경우에도 충격시험기의 특성에 대한 이해 부족으로 인해 효율적인 활용이 어려운 실정이다. 따라서 피충격체의 충격특성을 정량적으로 평가하기 위해서는 피충격체의 동특성에 영향을 미치지 않는 낙하 방식의 충격시험기가 필수적으로 요구되며 이를 위해 충격시험기 설계기술의 개발이 수행는 것이다. 즉, LabView 프로그램으로 구동하거나 가속도센서로 받은 신호를 디스플레이하기 위해서 USB-6009를 사용하였고, LabView 프로그램으로 구동시 설정한 높이를 Analog 신호로 Output하기 위해 USB-6009와 AVR을 연결시켰다. 모터와 클러치는 전압이 220V와 24V로 다르기 때문에 SSR(Solid State Relay)을 사용하였고, Dropper의 높이를 측정하기 위해 potentiometer와 AVR과 연결하였다.2. 흡진재 선정Dropper가 낙하하여 받는 충격에 대하여 2msec의 Duty Time과 Half-Sine 파형을 만들어 주어야만 한다.본 연구에서는 흡진재를 선정하기 위해서 많은 연구를 하였는데 이는, 기존에 만들어진 충격시험기(2001년도)에 맞추어 흡진재를 선정하여야 되기 때문이다.위 그림 3과 같이 두랄루민 판인 Dropper가 떨어지면서 철판부분에 충격을 가하게 된다. 그 충격에 대해 선정한 흡진재로 원하는 신호를 만들기 위해 철판중심에 흡진재가 들어갈 수 있는 홈이 파있다. 홈의 크기는 가로 160mm, 세로 160mm, 높이 25mm로 정해져 있기에 이에 맞는 흡진재를 선정하기 위하여 이론적 지식과 실험을 바탕으로 연구 하였다.흡진재의 가로와 세로의 길이는 홈의 크기에 맞춰야 하기 때문에 조절할 수 없으므로 흡진재의 두께를 조절하였다. 4ms의 sin파형 주기의 반을 사용하여 2ms로 하는 것이기에 다음과 같은 식을 사용하여 그에 맞는 강성을 구하였다.또한, 훅의 법칙 ‘탄성한도 내에서 응력과 변형률은 비례 한다’는 법칙에 따라 식을 다음과 같이 나타낼 수 있다.즉, 응력은 단위면적당 받는 힘이고 변형률은 길이 방향에 대한 변형량이므로 식을 전개하면 위와 같다.위 식에서 힘은 강성계수와 변형량의 곱이고, 강성계수는 [(단면적X탄성한도)/(두께길이)]이므로 이 식을 다음과 같이 이용하여 흡진재의 두께를 12mm로 선정 하였다.이 때, 위 식에서 대입한 탄성계수는 ASTM(American Socie157mm로 하였는데, 이는 더운 여름이나 높은 온도가 있는 곳에서 흡진재가 변형이 될 수 있는 가능성을 고려하였기 때문에 3mm의 공간을 두고 제작하였다.3. 디스플레이선정한 흡진재가 원하는 파형을 만족하는지 확인하기 위해서 신호를 받아서 디스플레이하는 것이 필요하다. 따라서, Dropper가 낙하 후 발생하는 파형을 가속도센서로 받아 그 신호를 USB-6009를 통해 짜여진 LabView 프로그램으로 디스플레이 하였다. 그림 6은 Block Diagram으로 DAQ Assistant에서 가속도센서의 아날로그 신호를 받아 그 신호를 Trigger and Gate에서 trigger 시킨 후 Filter를 통해 Spectrum과 가속도에 관한 그래프를 볼 수 있도록 하였다.따라서 그림 6과 같이 DAQ Assistant에서 Rate와 Number of Samples에 샘플링 주파수와 분해능을 입력한 후 그 신호를 Trigger하였고, 실험이 정확한지 확인하기 위하여 Signal Analyzer와 튜닝을 같이 하여 확인하였다.Trigger를 하는데 있어서 신호에 맞는 Trigger Level을 정하고, f=1/t와 데이터길이 L=n*( ? ) 계산식에 따라 Free-Sample을 설정하여 그래프가 가운데에 오도록 하였다. 또한, Data Avaliable에 Stop을 연결하여 신호를 잡았을 경우 Front Panel의 각 그래프인 가속도, 스펙트럼, 필터신호 등에 나온 신호들이 멈출 수 있도록 하였다. 그림 7, 그림 8, 그림 9는 Front Panel로써 필터된 신호와 가속도 신호 그리고 스펙트럼을 디스플레이 한 것이다.그림 7의 Filtered Signal에서 Filter는 Low-Pass Filter를 사용하여 필요 없는 고주파 노이즈들을 제거하여 원하는 신호를 볼 수 있도록 하였다. 이때 Cutoff Frequency는 충격규격에 따라 500Hz로 하였고 이 신호를 통해 가속도와 스펙트럼을 보여주게 된다.그림 8은 가속도 그래프로서 G에 관한 신호로 볼 분의 X, Y값을 볼 수 있도록 창을 만들었고, 최대값을 한번에 알 수 있도록 다음 그림 11과 같이 프로그램 하였다.4. 구동본 졸업작품 Drop Tester는 두 가지의 구동방식을 가진다. 첫째는 LabView 프로그램에 의한 구동이고, 둘째는 AVR 프로그램에 의한 구동이다. 구동 순서는 다음 그림 12와 같다.4.1 LabView에 의한 구동Front Panel을 보면 다음과 같이 높이를 설정하여 입력할 수 있도록 하였고, 높이가 설정된 상태에서 확인을 누르면 True가 되면서 1값이 if문에 들어오게 된다. 설정된 높이값은 확인을 누르는 동시에 Tank Bar에 시각적으로 표시가 되며, 그 높이값은 Analog 신호로 DAQ Board Output으로 나가게 된다. 그러므로 AVR에 그 신호를 넘겨줌으로써 충격시험기가 구동될 수 있도록 한다. 만약 확인버튼을 누르지 않는 경우는 false가 되면서 구동이 되지 않는다. 또한, LabView와 AVR이 같이 구동이 되면 안 되기 때문에 인터럽트를 하였다. 즉, LabView에서 구동을 할 것이라고 확인을 누르는 경우 True가 되면서 Digital Output으로 AVR에 1을 내보냄에 따라 그 신호가 AVR이 구동될 수 있는 경로를 차단시켜 LabView가 구동될 수 있는 환경을 만들어주는 것이다.LabView프로그램이 구동중이거나 가속도센서가 신호를 받을 때는 진행을 표시할 수 있도록 다음 그림 13과 같이 램프를 만들어 표시하였다.4.2 AVR에 의한 구동그림 14에서 볼 수 있듯이, AVR의 1번(+)과 2번(-) 인터럽트를 사용해 높이의 증감을 설정한다. 높이 설정이 되면 3번 인터럽트에 연결되어있는 스위치를 눌러 모터를 동작시키게 되는데, 220V의 전압을 사용하기 때문에 직접연결을 할 수 없어 스위칭기능을 하는 AC SSR을 사용하였다. AVR에서 5V 신호를 인가하면 접점이 연결되어 전류가 흐르게 된다. 모터 동작 후 동력을 전달하기 위한 클러치에 전압을 인가하게 된다. 클러치는 인터럽트 e Power Supply)- Input :AC 220V- Output : DC 5V(5A), DC 24V(2.5A)SSR(Solid State Relay)조광스위치- Pushbutton : Red, Green, Orange- Roker : GreenConnectNoise Filter5.2 케이스상 판정 면전면 / 후면Ⅲ. 결론본 졸업작품에서 품질시험(Quality Test)의 일환으로 제품의 충격성능을 검증하는 Drop Tester를 그 배경과 목적에 맞도록 만들어 완성하였다. 각종 소형화된 전자제품들의 취급상 부주의로 인한 피해를 최소화하기 위해 충격성능을 검증하는 Drop Tester는 낙하하는 Dropper가 받는 충격이 2msec의 Duty Time과 Half-Sine 파형을 만들어 주어야 한다. 따라서, 충격시험기에 흡진재를 선정하기 위해 이론적 지식과 실험을 바탕으로 연구하였고 그 결과 흡진재의 크기는 가로 157mm, 세로 157mm, 높이 12mm의 우레탄과 1mm의 GEL타입의 고무를 선정하였다. Drop Tester의 구동은 두 가지 방식으로 AVR 프로그램과 LabView 프로그램을 사용할 수 있도록 하였고, 프로그램에 의해 정해진 순서에 따라 안전하게 구동 되도록 하였다. Drop Tester의 구동 후 본 졸업작품의 목적에 맞는지 파형을 확인하기 위하여 LabView 프로그램으로 디스플레이 하여 속도와 가속도, 스펙트럼의 그래프를 볼 수 있게 하였다.본 졸업작품을 통하여 연구를 진행하면서 충격성능에 대한 검증의 중요성을 몸소 실감하게 되었고, 여러 가지 분야와 배웠던 이론들이 모두 합쳐져 어울려져야 한다는 것을 깨닫게 되었다. 또한, 이론으로만 알고 배웠던 것에 대하여 여러 가지 실험과 확인을 통해 이해하게 되면서 폭넓은 공부를 하는 좋은 기회가 되었다고 생각한다.Ⅴ. 참고문헌노트북 컴퓨터의 충격성능 향상연구, 임경화, 2001기계 진동학, Singiresu S. Rao, 2005전자회로, Thomas L. Floyd, 2005초보C프

공학/기술| 2010.01.16| 21페이지| 3,000원| 조회(187)

drop test, vibration, drop tester

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로또복권추첨장치만들기프로그램

마이크로프로세서 및 실습 ITerm Project : 로토복권 추첨장치 만들기1. 수행과제7-세그먼트, 도트메트릭스, LCD를 사용하여 다음 작동을 하는 4자리 로또 복권 추첨장치를 만든다.?기본 작동(1)(10점) 프로그램이 시작되면 4개의 7-세그먼트 둘레가 하나씩 점등되고(적당한 시간지연을 줄 것) LCD에는 “Lotto Ready"라고 표시한다.(2)(30점) 로토번호는 낮은 자리 수부터 추첨을 하게 된다.- 스위치를 처음 누르면 우선 LCD에 “First Ballot"이라고 표시하고 도트메트릭스에 숫자가 0부터 9까지 돌면서 표시되고(50msec 시간간격으로) 스위치를 떼면 멈춘다. 멈출 때 번호가 첫자리의 당첨번호이다. 당첨번호를 7-세그먼트의 첫 자리에 표시한다.- 스위치를 두 번째 누르면 LCD에 “Second Ballot"이라고 표시하고 도트메트릭스에 숫자가 역시 0부터 9까지 돌면서 표시되고(50msec 시간간격으로) 스위치를 떼면 멈춘다. 멈출 때 번호가 첫자리의 당첨번호이다. 당첨번호를 7-세그먼트의 두 번째 자리에 표시한다.- 같은 방법으로 4번에 걸쳐 번호를 추첨한다.(3)(20점) 번호 4개가 모두 당첨이 되면 7-세그먼트에 각 번호를 하나씩 각자의 자리에 표시한 후 모든 자리를 표시하고 깜빡인다. 동시에 LCD에는 당첨번호를 쓴 후 좌우로 이동한다. 이 때 스위치를 누르게 되면 (1)로 되돌아간다.(4) 보고서 (20점)?추가 기능(5)(20점) (2)에서 스위치를 떼면 점점 천천히 돌면서 멈추고 한 번 깜빡이도록 한다. 이 때 스위치를 떼고 천천히 도는 회수는 스위치를 누른 시간에 따라, 1초 이내는 6번, 2초 이내는 8번, 3초 이상은 10번 돈다.(6)(10점) (3)에서 당첨번호가 확정된 후 도트메트릭스에도 축하 이벤트를 표시한다.2. 전체 프로그램① Term.c#include #include #include#include "Iseg7.h"#include "lcd.h"static char ch[5][20] = {"Lotto Ready","First Ballot","Second Ballot","Third Ballot","Fourth Ballot"};static char code[] ={'0', '1', '2', '3' ,'4', '5', '6', '7', '8', '9'};#define PUSHING ~PIND & 0x01#define DEBOUNCING_DELAY20unsigned char dot_num[11][8] = {0x00,0x3c,0x7e,0x66,0x66,0x7e,0x3c,0x00,0x18,0x38,0x18,0x18,0x18,0x18,0x3c,0x00,0x3c,0x7e,0x06,0x0c,0x18,0x7e,0x7e,0x00,0x3c,0x66,0x0c,0x18,0x0c,0x66,0x3c,0x00,0x18,0x38,0x78,0x58,0x7c,0x7c,0x18,0x18,0x00,0x7e,0x40,0x7e,0x02,0x42,0x3c,0x00,0x3c,0x42,0x40,0x5c,0x62,0x42,0x3c,0x00,0x00,0x7e,0x7e,0x06,0x0c,0x18,0x30,0x30,0x3c,0x66,0x66,0x3c,0x3c,0x66,0x66,0x3c,0x3c,0x42,0x42,0x3e,0x02,0x02,0x42,0x3c, // 숫자출력을 위한 배열선언0x00,0x42,0xa5,0x00,0x00,0xc3,0x66,0x3c}; // 맨 마지막은 축하 메세지volatile int j=0, k=0, click=0, count=0, p=1, slow=0, time=0, temp=0 ;extern char SegTable[21], cnumber[5];void msec_delay(int n);ISR(TIMER2_COMP_vect)// 타이머2는 버튼 누르면 숫자 돌리는 것과 그 누른 시간만 측정할 때 비교일치 인터럽트를 허용시킨다.{if(j++ == 10)j=0,k++;// 도트 숫자를 올리는 변수if(k ==10)k=0;time++;// 버튼 누르는 시간 측정하는 변수if(time 200) slow = 8;else if(time > 400) slow = 10;}int main(){ISeg7Init();LcdInit();TCCR2= (1

프로그램소스| 2008.06.17| 16페이지| 1,000원| 조회(1,973)

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전자석 액츄에이터

한국기술교육대학교 진동제어연구실센서 및 액츄에이터 실험실험 4. 전자석 액츄에이터 평가실험조 : 6조조 원 :1. 목적- 전기 액츄에이터의 원리 이해- 전자석 액츄에이터의 특성 평가 및 사용법 습득2. 전자석 액츄에이터의 원리 및 사용법Fluxpole자성체그림 1. 전자석 액츄에이터의 동작 원리코어를 감싸고 있는 코일에 전류가 흐르면 자속(flux)이 폐루프 형태로 발생되고, 자성체가 자속 루프에 접근하면 식 (1)과 같은 전자석 힘으로 당기게 된다.(1)(2)여기서,B : flux densityS : total area of polesμ0 : permeability of vacuum 4π×10-7n : number of coil turnsg : thickness of the air gapa : equivalent air gap of the core reluctance식 (1)에 식 (2)를 대입하여 정리하면(3)여기서: magnet characteristic constant식 (3)에서 볼 수 있듯이 액츄에이터의 당기는 힘은 전류 제곱에 비례하고 전자석과 자성체 간격 제곱에 반비례하는 비선형 특성을 가지고 있다. 그러나 일반 제어에 사용되는 액츄에이터는 제어신호(인가전류)에 비례하는 액츄에이터가 필요하므로 선형화 시킬 필요가 있다. 그래서 그림 2와 같이 두 개의 전자석 액츄에이터를 이용하여 가진하는 경우가 많다.자성체그림 2. 두 개의 전자석 액츄에이터 이용식(3)을 선형화하기 위해 D.C성분의 전류를 가해주고 판의 양쪽으로 전자석을 설치하여 한쪽의 전자석에 전류가, 반대쪽에는가 되게 한다. 이때 공극이 각각,로 된다면(4)A.C 성분의 i 와 변동 공극 x 가 상대적으로 작다면 식(4)를 아래와 같이 선형화할 수 있다.(5)실험에서는 공극 변화 x를 최소화 시켜 전류변동 i 에 대한 전자석 힘을 측정한다.3. 실험 준비물- 전자석 액츄에이터 실험장치- 스트레인 미터- 오실로스코프- 함수발생기- 전자석용 앰프- 디지털 버니어 캘리퍼스4. 실험 방법실험 4.)1) 외팔보의 재질, 길이, 폭, 두께를 측정한다.2) 액츄에이터 실험장치의 외팔보 고정용 부위를 반대방향으로 설치한다.3) 스트레인게이지가 부착되어 있는 외팔보를 액츄에이터 실험장치에 고정한다.주의) 외팔보는 반드시 자성체일 것.4) 주어진 추(26g)를 외팔보에 추가적으로 달면서 스트레인게이지와 끝단 하중의 관계식을 실험적으로 구한다.주의) gage factor 차이에 의한 보정을 할 것 (데이터 보정 or 스트레인 미터 보정)① 외팔보 측정외팔보의 재질Steel외팔보의 길이170mm외팔보의 폭20.16mm외팔보의 두께1.08mm② 실험결과(1V/1000ust)- 보정을 위하여 스트레인 게이지와 장비의 factor를 데이터시트에서 찾고 이를 계산한다.추의 개수(하중, N)스트레인(ust)-실험값스트레인(ust)-보정값증가감소증가감소1 (0.26)473050.2932.12 (0.52)848489.8889.883 (0.78)140140149.8149.84 (1.04)199200212.932145 (1.3)240240256.8256.8(초기전압(V) = -20mV)실험 4-2 (인가전류와 전자석 힘의 관계 실험)1) 액츄에이터 실험장치의 외팔보 고정용 부위를 원래 방향으로 설치한다. 자성체와 두개의 전자석 액츄에이터 사이의 공극을 약 3.5～4.5 mm 정도로 똑같이 조정한 뒤에 최종 공극을 확인한다.2) 전자석 코일의 저항을 측정한다. 함수발생기를 두개의 전자석용 앰프(Power Amplifier)의 입력에 연결한 후 전자석 액츄에이터를 전자석용 앰프에 하나씩 연결한다. 단 채널은 다르게 연결한다.전자석 코일의 저항2.23) 각 전자석용 앰프의 offset을 1V, amplitude를 0으로(∵DC값 입력) 설정한 후 외팔보의 끝단에 하나의 추를 달아 하중을 가한 뒤에 외팔보 위에 위치한 전자석만 offset을 증가시켜 외팔보 처짐이 없어지게 한다. 처짐상태는 스트레인 게이지의 출력으로 확인한다. 처짐이 원상태가 되지 않을 때는 실험 4-1에서 구한 스트레인a를 이용하여 보정한다.주의) 전자석용 앰프를 사용할 때는 별첨자료에 있는 출력 증폭기의 매뉴얼을 숙독한 뒤에 사용한다.4) 3)단계를 5회 되풀이 실험하여(하중은 동일 하중으로 고정) 전류와 전자석 힘의 관계를 구한다. 전류는 인가전압과 저항으로 간접 측정한다.주의) 추에 의한 하중력이 작용하는 위치와 액츄에이터에 의한 가진력이 작용하는 위치가 다르므로 여기에 대한 보정이 필요하다.5) 추를 제거한 후 외팔보 위에 위치한 전자석의 offset을 1V부터 2V까지 증가시키면서 전자석에 증가시킨 전류에 따라 발생된 외팔보의 스트레인을 측정한다.① 하나의 추에 대한 외팔보의 처짐 반복 측정회수추의 하중(N)처짐 제거를 위해 증가한 전압 (V)증가된 전류 (A)10.261.420.6521.450.6631.40.6441.410.6451.420.65추의 위치170mm전자석 가진력의 위치116.5mm② 전자석의 offset을 증가시키면서, 전류에 따라 발생된 외팔보의 스트레인 측정- 하중이 작용하는 지점과 전자석의 가진력의 위치에 대한 보정Offset(V)외팔보의 변형(ust)(- 값)실험값보정 후14058.41.24870.01.46087.51.677112.31.882119.62110160.5실험 4-3 (외팔보 시스템 동특성 실험)1) 각 전자석용 앰프의 offset을 1V, amplitude(p-p)를 200㎷로 설정한 후 함수발생기(Function Generator)의 주파수를 0～50㎐까지 변화시키면서 각 주파수에 따라 외팔보에 발생하는 스트레인을 구한다.주의) 각 주파수마다 앰프 출력값의 amplitude가 변하므로 각 앰프의 amplitude 다이얼을 조정하여 항상 200㎷(p-p)가 입력되도록 한다.2) 1)에서 구한 값으로 외팔보 시스템의 주파수 응답함수(Frequency Response Function)를 구한다.※ 전자석용 앰프 사용시 주의사항- offset먼저 증가시킨 다음에 magnitude를 증가시킬 것. LED가 켜지면 offset을 증가시키던가의 오실로스코프에 전자석용 앰프의 출력을 두개이상 연결하거나 전자석용 앰프의 출력과 다른 장비를 하나의 오실로스코프에 연결하지 말 것.① 주파수에 따라 외팔보에 발생하는 스트레인주파수(Hz)변형률(ust)주파수(Hz)변형률(ust)55.226196105.42756156.430162015.63510.62218405.22425.4454.22538503.84. 보고서 정리1) 평가 결과에 대해 그림으로 정리하시오. 그리고 액츄에이터의 감도를 최소 자승법을 이용하여 구하시오.? 하중과 스트레인게이지 관계 실험(하중에 따른 변형률)감도 = 206.18ust/P?인가 전류와 전자석 힘의 관계 실험(전자석 전류에 따른 변형률)감도 = 97.73ust/V감도 = 94.374V-43.834(ust/V)? 외팔보 시스템 동특성 실험(주파수 응답에 따른 변형률)고유진동수는 25.6Hz이고, 236ust을 값을 갖는다.? 엑츄에이터의 감도- 동일한 시스템에서의 실험이므로, 앞에서 구했던 선형화 식은 서로 같다고 할 수 있다.206.18P-8.881 = 97.73V-45.21감도(N/V)0.474206.18P-8.881 =감도(N/V)0.456V-0.2122) 실험4-1과 4-2로부터 전자석 액츄에이터의 성능인 인가전류와 발생되는 하중간의 관계를 구하시오.? 실험 4-1로부터의 결과최소자승법으로부터 구한 결과를 변형율과 하중과의 식으로 나타내면,?실험 4-2로부터의 결과최소자승법으로부터 구한 결과를 식으로 나타내면,3) 실험에서 구한 외팔보의 고유진동수와 이론적으로 구한 외팔보의 고유진동수를 비교 및 검토하시오.실험에서 구한 고유진동수25.6Hz이론적으로 구한 고유진동수30.99HzBL(1차고유진동 시) = 1.875104E(탄성계수) =I(관성모멘트) =실험에서 구한 고유진동수와 이론적으로 구한 고유진동수는 약 5.4Hz정도의 오차가 있었다. 이 오차의 원인은 외팔보가 제대로 물려있지 않았다는 결론을 내렸다. 왜냐하면 이론적으로 구한 식은 Steel이 완전히 고정된 상태인 외팔보라 완전히 고정되기는 힘들었다. 또한, Function Generrator의 주파수가 계속 흔들리기 때문에 오실로스코프로 정확한 측정값을 찾아내기는 어려웠던 점이 있었는데 그러한 부분에서도 오차가 발생했을 것이라 생각한다.4) 실험적으로 구한 외팔보 고유진동수의 약 2/3 주파수로 전자석을 구동시켰을 때(동하중) 구한 외팔보의 스트레인과 주파수가 0일때(정하중) 구한 외팔보의 스트레인을 비교하여 DC gain과 AC gain을 비교 및 검토하시오.동하중정하중주파수(Hz)17.070변형률(ust)11.24.7- 위의 실험결과 정하중은 4.7ust이 나왔다. DC 1V를 입력하였으므로 gain은 4.7ust/V이다. 동하중의 경우 11.2ust이고 이는 정하중의 변형률이 포함되어 있으므로, 따라서 AC gain은 이를 제외한 6.5라고 볼 수 있다.5) 결과 검토 및 실험장치의 문제점을 지적하시오.- 실험에 사용되었던 전자석 액추에이터는 인가되는 전류에 비례하며 끌어당기는 힘만 가지고 있다. 끌어당기는 힘은 전류의 제곱에 비례하고 전자석과 자성체 간격(공극)의 제곱에 반비례 한다. 선형적인 제어를 위해서 두 개의 전자석을 마주보게 설치하고 공극을 작게 하여 전류에 의한 선형적인 제어를 측정하는 실험이다.첫 번째 실험으로 하중과 스트레인게이지의 관계 실험은 보정을 통해 하중과 스트레인게이지 변형률의 선형적인 관계를 확인할 수 있었다. 이 실험으로 스트레인게이지의 변형으로 시스템에 인가된 하중을 예측할 수 있다는 것을 알 수 있었다. 두 번째 실험은 하중에 의해 외팔보가 쳐졌을 때 상단의 전자석에 전류를 증가시켜 외팔보에 하중을 가하기 전 상태로 되돌리는 실험이었는데 이를 통해 전류로 외팔보가 자성체일 경우에 제어할 수 있다는 것을 알 수 있었다. 세 번째 실험, 외팔보 시스템 동특성 실험은 함수 발생기를 이용해서 외팔보에 가진을 주어 변화되는 스트레인 값을 찾는 실험이었다. 즉, 공진 현상이 일어나는 주파수를 찾는 실험으로 실험결과 사용한 외팔보는 25.6Hz에서 공

공학/기술| 2009.06.12| 12페이지| 2,000원| 조회(785)

전자석액츄에이터, 전기액츄에이터원리, 전자석액츄 특성평가, 공진 현상, 스트..

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와전류 변위센서

1. 실험목적- 와전류형 변위 센서 원리 및 특성 이해- 와전류형 변위센서 평가법 이해2. 와전류형 변위센서의 원리 및 사용법2-1. 원리- 고주파 발진형 변위센서의 동작원리는 그림 1과 같이 검출코일로부터 나오는 고주파 자계 속에 금속물체(검출물체)가 접근하면 근접하는 금속물체에서 전자유도현상에 의한 유도전류(Eddy Current)가 흐른다. 이 전류에 의해 자계가 발생하고 이 자계는 검출 코일에 의한 자계를 감소시키는 방향으로 움직인다. 이 결과 검출코일의 임피던스를 변화시켜 그림 2와 같이 발진회로의 발진상태를 유지할 수 없게 된다.2-2. 사용법- 검출물체의 재질에 따라 검출거리가 달라진다. 일반적으로 카탈로그에 기재되어 있는 검출거리는 철로 기준한 것이므로 비철금속인 경우는 주의가 필요하다.(예: 알루미늄의 검출거리 = 철의 검출거리 35%)와전류형 변위센서는 검출체의 크기에 따라서도 검출거리가 변한다. 대체적으로 검출체의 최소크기가 측정체와의 간격의 5배 이상이 되도록 추천하고 있다.진동 변위를 측정하는 경우는 진동변위를 고려하여 센서 초기위치를 설정해야 한다. 그림 3은 와전류형 변위센서의 특성 곡선인데, 측정변위를 효율적으로 사용하기 위해서는 선형범위의 중간지점을 초기 설치 위치가 되어야 한다.3. 변위 센서의 평가3-1 실험 준비물- 와전류형 변위센서- 재질별 금속판- 미소변위 이송기구- 바이스. - oscilloscope- power supply- multimeter3-2 실험 방법바이스금속판와전류형 변위센서미소변위 이송기구① 미소변위 이송기구의 고정나사를 푼다.② 미소변위 이송기구에 와전류형 변위센서를 부착한다.③ 미소변위 이송기구를 테이블에 부착한다.④ 바이스에 금속판을 고정시킨 후 금속판을 센서에 밀착시킨다.⑤ power supply를 이용하여 센서에 적정 전압을 입력한다.⑥ multimeter 혹은 oscilloscope를 센서의 출력에 연결한다.⑦ 미소변위 이송기구의 마이크로미터를 조작하여 부착된 센서를 뒤로 조금씩 이동시키면서 거리에 따른 센서의 출력을 측정한다.⑧ 여러 가지 재질의 금속판으로 ④번부터 ⑦번까지의 과정을 반복한다.3-3 평가 항목○ 선형성(변위/전류) 범위 파악 (dead zone 확인, 비선형 영역 확인)재질 : Steel변위 (mm)센서출력(V)00.1230.40.1710.80.2421.20.3451.60.4520.6542.40.972.81.073.21.2243.61.48541.74.41.974.82.2415.22.4535.62.7362.966.43.186.83.447.23.6487.63.8384.048.44.188.84.329.24.479.64.62104.79재질 : Stainless변위 (mm)센서출력(V)00.250.40.3030.80.461.20.6161.60.78621.0382.41.292.81.623.21.853.62.2742.594.42.824.83.25.23.425.63.7964.016.44.376.84.637.24.757.64.9585.158.45.228.85.329.25.379.65.43105.47재질 : Aluminum변위 (mm)센서출력(V)01.0060.41.320.81.721.22.0581.62.57323.2582.44.32.84.963.25.693.66.4646.634.46.634.86.635.26.635.66.6366.636.46.636.86.637.26.67.66.586.388.46.288.86.29.26.149.66.07106.01?감도Steel = 0.535 (V/mm)Stainless = 0.713 (V/mm)Aluminum = 1.888 (V/mm)4. 보고서 정리1) 센서의 평가 결과에 대해 그림으로 정리하시오. 그리고 최소자승법을 이용하여 센서의 감도를 구하시오.○ 감도(센서의 평가 결과)- 위 그래프는 각 시편에 대한 센서의 감도를 그래프로 나타낸 것이다. Steel에서, 위 그래프와 위 평가항목 표를 보면, 약 2.8mm~10mm의 구간부터 선형적으로 센서의 출력값이 나타나는 것을 볼 수 있다. 또한, Stainless 그래프를 보면 약 1.6mm~8mm의 구간이 선형적인 것을 알 수 있으며, Alunminum은 약 1.2mm~3.6mm로 가장 작은 구간의 선형성을 보여줌을 확인할 수 있다.(mm)(mm)(mm)(V)(V)(V)Matlab을 이용한 센서출력의 최소자승법 곡선감도 (V/mm)Steel0.535Stainless0.713Aluminum1.8882) 결과 검토 및 실험장치의 문제점을 지적하시오.- 이번 실험은 와전류 변위센서를 이용하여, 각 시편의 따른 출력감도를 실험을 통해 알아보았다. 센서의 감도 그래프를 보면, Steel과 Stainless, Aluminum에서 선형적인 센서의 출력구간과 감도가 각각 다르다는 것을 실험을 통해 알 수 있었다. 검출체의 재질에 따라 검출거리가 달라진다는 것을 알고 있다. 예를 들면 알루미늄의 검출거리는 철의 검출거리에 35%가 된다. 결과를 통해 알아보면로 이론치와 거의 비슷하게 나왔다. 아래 표에 Steel의 선형구간을 기준으로 각 시편에 따른 선형구간의 비율을 나타내었다.선형구간(mm)Steel 기준 %Steel7.2100%Stainless6.488%Aluminum2.433%또한, 선형구간의 감도도 위와 마찬가지로 철을 기준하는 재질별 Gauge Factor 값을 찾아보면 아래와 같다.실험Gage Factor이론Gage FactorSteel11Stainless0.750.6Aluminum0.280.18이와 같은 Gage Factor의 와전류 변위 센서는 Steel을 기준으로 만들어졌기 때문에 다른 재질의 금속을 검출하면 그에 맞는 보상 Factor를 곱해주어야 한다.위와 같은 오차가 발생하게 된 이유는, Aluminum의 선형구간이 매우 작아서 실험을 통해 구한 센서의 출력값과 Gauge Factor 값과 일치시키기에는 무리가 있었기 때문이다.와전류형 변위센서는 검출체의 크기에 따라서 검출거리가 변한다. 대체적으로 검출체의 최소 크기가 측정체와의 간격의 5배 이상이 되도록 추천하고 있다. 하지만 우리가 사용한 검출체의 폭은 30mm로 추천거리는 6mm이하이다. 이점에서도 오차가 발생 하였을 것이다. 조금 더 큰 검출체를 사용한다면 정확한 실험이 이루어 졌을 것이다.추천거리 이상에서의 데이터는 신뢰도가 떨어진다. 그러므로 우리가 측정한 데이터의 선형구간에서도 오차가 생긴 것이다.또한, 실험을 통해 와전류 변위센서의 신호변화를 확인할 수 있었는데, 위 에서 보는 것과 같이 각 구간별로 색깔을 달리하여 Dead Zone과 선형구간, 비선형구간을 나타내었다.

공학/기술| 2009.06.12| 7페이지| 1,500원| 조회(2,009)

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